SB_19203NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Serielles Plasma-MSG-
Hybridschweißen bei
Verwendung angepasster
Prozessvarianten zum
wirtschaftlichen Fügen
von Aluminium

Serielles Plasma-MSG-
Hybridschweißen bei
Verwendung angepasster
Prozessvarianten zum
wirtschaftlichen Fügen
von Aluminium
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.203 N
DVS-Nr.: 03.116
RWTH Aachen,
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
(ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.203 N / DVS-Nr.: 03.116 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 416
Bestell-Nr.: 170525
ISBN: 978-3-96870-415-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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1 Anlass für den Forschungsantrag 6
IV Inhaltsverzeichnis
I Abstract I
II Ziel der Untersuchungen II
III Wissenschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen III
IV Inhaltsverzeichnis 6
V Abbildungsverzeichnis 8
1. Anlass für den Forschungsantrag 11
1.1 Einleitung 11
1.2 Stand der Technik 12
2. Zielstellung und Arbeitshypothese 20
3. Lösungsweg 22
3.1 Erläuterung der einzelnen Arbeitspakete 22
4. Versuchsaufbau 24
4.1 Versuchsstand 24
4.2 Serielle Einzelprozesse 26
4.3 SuperMIG-Brennersystem 28
4.4 Verfahrensvergleich mit MSG-Tandem-Prozess 32
4.5 Versuchswerkstoffe und Probengeometrien 33
4.6 Probenvorbereitung 34
4.7 Versuchsauswertung 35
5. Untersuchungsergebnisse 37
5.1 Generierung von stabilen Ausgangsparametern 37
5.2 Messtechnische Analyse der Wirkzusammenhänge bei unterschiedlichen
Arbeitsabständen anhand der seriellen Einzelprozesse 38
5.3 Untersuchungen zur magnetischen Kompensation der Lorentzkräfte mithilfe des
SuperMIG-Systems 45
5.4 Vergleich der Wirkzusammenhänge an Aluminiumwerkstoffen für AC und DCnegativem-Plasmaprozess
mithilfe des SuperMIG-Systems: 51
6. Technologieoptimierung 57
6.1 Maximal erreichbare Schweißgeschwindigkeiten mit dem Plasma-MSG-
Hybridprozess mit 1,2 mm Drahtelektrodendurchmesser 57
6.2 Referenzschweißungen mithilfe des MSG-Tandem-Prozesses 66
7. Abschließende Bewertung und Ausblick 67
8. Formales 70
9. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit
den Zielen. 71

1 Anlass für den Forschungsantrag 7
10. Wissenschaftlich-technischer u. wirtschaftlicher Nutzen für die Industrie 72
10.1 Wissenschaftlich-technische Ergebnisse 72
10.2 Wirtschaftliche Ergebnisse 72
10.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit 73
VI Literaturverzeichnis 74

1 Anlass für den Forschungsantrag 11
1. Anlass für den Forschungsantrag
1.1 Einleitung
Aluminium ist aufgrund seiner geringen Dichte und hohen Festigkeitseigenschaften, die heute
zum Teil bis an die Festigkeit von Stahl heranreichen, ein weit verbreiteter Konstruktionswerkstoff.
Dementsprechend sind Aluminiumkonstruktionen unterschiedlicher Materialdicken in
den verschiedensten Branchen, wie z.B. im Luft-, Schiff-, Automobil- und Schienenfahrzeugbau
sowie im Rohrleitungs- und Behälterbau anzutreffen, [DVS1616].
Am häufigsten kommt beim thermischen Fügen von Aluminiumkonstruktionen das Metall-
Schutzgas-Schweißprozess (MSG) zum Einsatz. Allerdings kann mit diesem Prozess nur mit
vergleichsweise geringen Schweißgeschwindigkeiten gearbeitet werden, wodurch dieser Prozess
teilweise nur eingeschränkt wirtschaftlich einsetzbar ist. Eine Alternative bietet hier das
MSG-Mehrdrahtschweißen, das jedoch bei größeren Blechdicken aufgrund des großen
Schweißnahtvolumens mit den bekannten Nachteilen, wie eine vergleichsweise hohe Wärmeeinbringung
und daraus resultierendem Verzug der Bauteile, einhergeht, [PROD96, PRAK04].
Als weitere Alternativen zum Fügen von Aluminiumstrukturen bieten sich hybride Schweißprozesse
an, die durch die Zusammenführung unterschiedlicher Schweißprozesse zusätzliche
Synergieeffekte erzielen. Beispielsweise bietet der Laser-MSG-Hybridprozess den Vorteil der
Kombination eines tiefen Einbrands durch den Laser mit der guten Spaltüberbrückbarkeit
durch den MSG-Prozess bei hohen Schweißgeschwindigkeiten, [REIS10b, DILT00]. Für kleine
und mittelständische Unternehmen (KMU) ist dieser Prozess jedoch häufig zu kostenintensiv.
Entscheidende monetäre Faktoren sind dabei der hohe Anschaffungspreis der Anlagentechnik
und der Peripherie, wie z.B. der Komponenten des Strahlenschutzes, die zudem den Arbeitsraum
und damit die Bauteilgröße begrenzen. Weiterhin müssen genaue fertigungstechnische
Toleranzen durch exakte Kantenvorbereitungen der zu fügenden Materialien und eine häufig
komplexe Einspanntechnik zur präzisen Bauteilpositionierung realisiert werden. Dementsprechend
ist ein wirtschaftlicher Einsatz des Laser-MSG-Hybridprozesses nur bei sehr intensiver
Anlagenauslastung und häufig nicht für Kleinserien gegeben.
Ähnliches gilt für das Rührreibschweißen, das für Aluminiumwerkstoffe zunehmend an Bedeutung
gewinnt. Wegen der großen Prozesskräfte ist auch hier eine aufwendige, speziell auf die
Bauteilgeometrie angepasste Einspannung notwendig [REIS11, DILT06]. Darüber hinaus stellen
die hohen Anschaffungskosten einer Rührreibschweißanlage ebenfalls ein großes Hindernis
dar.
Eine kostengünstige Alternative bietet der Einsatz des seriellen Plasma-MSG-Hybridprozesses,
für das von der Firma Plasma-Laser-Technologies ein spezielles Brennersystem entwickelt
wurde, [DYKH06]. Ähnlich wie beim Laser-MSG-Hybridprozess erzielt man mit dem Plasmaprozess
einen tiefen Einbrand. Allerdings ist der Investitionsaufwand um ein vielfaches geringer,
da neben dem deutlich niedrigeren Anschaffungspreis keine Einhausung zum Strahlenschutz
notwendig ist. Dadurch eignet sich der serielle Plasma-MSG-Hybridprozess auch für
Bauteile unterschiedlichster Größe, was einen flexiblen Einsatz in der Fertigung auch bei kleinen
Stückzahlen gewährleistet.
Allerdings wurde der serielle Plasma-MSG-Hybridprozess bisher ausschließlich zum Schweißen
von Stahlwerkstoffen angewendet, [HYBR07, HUBE14]. Weitergehende, systematische

1 Anlass für den Forschungsantrag 12
Untersuchungen zur Einsetzbarkeit des Prozesses für die Verarbeitung von Aluminiumbauteilen
existieren bisher nicht. Hierbei muss z.B. berücksichtigt werden, dass die Anpassung der
elektrischen Polung des Plasmaprozesses auf einen Aluminiumgrundwerkstoff zu Änderungen
der Rückwirkungen im Hybridprozess führen kann. In ersten Voruntersuchungen des ISF der
RWTH Aachen konnte jedoch die grundsätzliche Eignung des Prozesses zum Schweißen von
Aluminium nachgewiesen werden. Ferner wird auf Basis der Voruntersuchungen bei Aluminium
mit dem Plasmaprozess eine weniger fehleranfällige Energieeinkopplung in den Grundwerkstoff
(keine Reflexions- und Absorptionsprobleme) und eine größere Spaltüberbrückbarkeit
erwartet, wodurch sich die Anforderungen an die Bauteiltoleranzen und die komplexen
Einspannvorrichtungen erheblich reduzieren.
Zum Schweißen von Aluminium kommen hauptsächlich Lichtbogen-, Laser-, daraus resultierende
hybride Prozesse und der Rührreibschweißprozess zum Einsatz, [DILT06]. Im Folgenden
soll, orientiert an den Zielstellungen des Forschungsprojektes, detailliert auf den Plasmaund
MSG-Prozess eingegangen werden, die die Basis für konzentrische und serielle Kopplungen
des Plasma-MSG-Hybridprozesses bilden, sowie auf den Laser-MSG-Hybridprozess als
Referenzprozess.
1.2 Stand der Technik
Plasmalichtbogenschweißen (WPL)
Beim in Abbildung 1 schematisch dargestellten WPL-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen
Werkstück (1) und Elektrode (2), der durch die Plasmadüse eingeschnürt wird. Die Möglichkeit
den Lichtbogen zwischen Elektrode (2) und Plasmadüse (7) brennen zu lassen, wird
für den Pilotlichtbogen verwendet. Durch die starke Bündelung des Lichtbogens und die Plasmagasströmung
ist eine sehr hohe Energiedichte im Lichtbogen gegeben, die ein tiefes Aufschmelzen
ermöglicht. Ähnlich wie beim WIG-Schweißen von Aluminium wird beim Plasmaprozess
oft mit Wechselstrom (AC) geschweißt, um die Elektrode während der negativen Halbwelle
thermisch zu entlasten und während der positiven Halbwelle durch den kathodischen
Reinigungseffekt die Oxidschicht an der Oberfläche des Werkstücks aufzubrechen. Die Anteile
von Plus- und Minusphase können sowohl in ihrer Dauer als auch in ihrer Amplitude der jeweiligen
Fügeaufgabe angepasst werden. Für das Plasma-Wechselstromschweißen haben
sich Verhältnisse von etwa 30/70 bis 50/50 als sinnvoll erwiesen. Kleinere Verhältnisse verringern
die Lichtbogenleistung, größere Verhältnisse belasten die Elektrode zu stark, [DZEL00].
Üblicherweise wird abhängig von der Blechstärke mit einer Wechselstromfrequenz zwischen
2 und 10 Hz geschweißt, [POTH77]. Ab einer Grenzfrequenz von höchstens 50 Hz beginnt der
Plasmastrahl unruhig zu werden. Ursache ist die Überlagerung von der durch den Schutzgasdurchfluss
vorgegebenen Gasströmung mit der durch den Lichtbogen induzierten Gasströmung.
Letztere wechselt mit der doppelten Wechselstromfrequenz des Lichtbogens ihre Richtung
und kann zu einer turbulenten Strömung führen, was zu Störungen der Schutzgasabdeckung
führt, [SLVM00].

1 Anlass für den Forschungsantrag 13
Abbildung 1:
Schematischer Aufbau des Plasmaschweißprozesses, dargestellt sowohl mit als auch
ohne übertragenem Lichtbogen. [REIS16]
Eine Besonderheit des Plasmaschweißens ist die Möglichkeit zum Stichlochschweißen. Während
für Bleche bis zu einer Dicke von 2,5 mm das Wärmeleitungsschweißen Anwendung findet,
wird beim Plasmastichlochschweißen der aufgeschmolzene Werkstoff vom Lichtbogendruck
verdrängt und noch nicht aufgeschmolzener Werkstoff vom Plasmalichtbogen erfasst.
Das Werkstück wird dabei ösenförmig durchstoßen, ohne dass die Schmelze ausgetrieben
wird, [HETT95]. Der Wärmetransport in die Tiefe erfolgt also nicht über Wärmeleitung, sondern
über die Schweißöse. Hinter der Öse läuft die Schmelze infolge der Oberflächenspannung des
Schmelzbades und des Dampfdrucks wieder zusammen und erkaltet als Schweißnaht,
[DILT06]. Aufgrund dieser Öse ist es möglich, Bleche austenitischen Werkstoffs bis zu einer
Dicke von 10 mm im I-Stoß in einer Lage zu schweißen. Das Stichlochschweißen ermöglicht
höhere Schweißgeschwindigkeiten bei niedrigerer Energieeinbringung als beim MSG- oder
WIG-Schweißen, [DILT06, FLEE82].
Einer großen Akzeptanz des Plasmalichtbogenschweißens in der Industrie standen bisher jedoch
mehrere Probleme entgegen. So wurden die geforderte Positioniergenauigkeit und die
benötigte, exakte Nahtvorbereitung ebenso als kritisch angesehen wie auch die geringe Standzeit
der verfügbaren Brenner. Durch neuartige Brennerkonzepte konnten jedoch die Standzeiten
enorm gesteigert werden. Um das Auftreten von Spalten durch Verzug zu vermeiden, werden
während des Plasmaschweißens hohe Anforderungen an die Spannvorrichtungen gestellt.
Ergeben sich dennoch fertigungsbedingte Spalte, muss auch beim Plasmaschweißen
Zusatzmaterial zugeführt werden, um diese aufzufüllen. Des Weiteren kann durch den Einsatz
von Zusatzmaterial das Entstehen von Einbrandkerben verhindert werden. Die Materialzugabe
erfolgt in der Regel als Kaltdraht oder als Heißdraht, [BAUM81]. Nachteilig wirkt sich aus, dass
zum Aufschmelzen des Drahtes Plasmaenergie verwendet werden muss. Dies führt entweder
zu einer Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit oder es muss eine höhere Prozessleistung